Los Dispositivos Instrumentados de Seguridad (SIS) son responsables por la seguridad operativa de la fábrica y garantizan interrupciones de emergencia dentro de límites considerados seguros, siempre que la operación ultrapase estos límites. Su objetivo principal es evitar accidentes dentro y fuera de la fábrica, tales como incendios, explosiones, daños a los equipos y, principalmente, evitar riesgos a la vida o la salud de personas, impactos catastróficos sobre la comunidad vecina, facilitar la protección a los empleados y ciudadanos, además de la producción y a los bienes.
Ningún sistema es totalmente inmune a fallas y debe siempre proveer condiciones seguras cuando ocurra una falla.
En seguida están detalles de conceptos relativos a confiabilidad, fallas y seguridad, además del LD400-SIS, un transmisor de presión certificado por TÜV para aplicaciones de seguridad.
Fiabilidad
La fiabilidad de los sistemas de seguridad puede definirse como el tiempo promedio entre las fallas que ocurren en el sistema. En este contexto, falla significa la ocurrencia de una situación inesperada que causa un valor incorrecto de salida.
Principios de la Fiabilidad
La fiabilidad de un sistema de medición se define como la habilidad de ejecutar su función dentro de límites y condiciones de funcionamiento durante un tiempo definido. Infelizmente, varios factores tales como las tolerancias de los fabricantes en cumplir con las condiciones operativas a veces dificultan esta intención y en la práctica, el resultado estadístico es expresar la fiabilidad a través de la probabilidad de las fallas que ocurran dentro de un cierto tiempo.
En la práctica hay una gran dificultad en determinarse lo qué es una falla. Cuando la salida de un sistema está incorrecta es difícil de interpretarse, en comparación con la pérdida total de la salida de medición.
Cuantificación de la Fiabilidad en términos quasi-absolutos
Como hemos visto, la fiabilidad es un concepto de naturaleza probabilística que se puede cuantificar en términos quasi-absolutos a través del promedio de tiempo entre las fallas (MTBF) y el promedio de tiempo para fallar (MTTF). Se debe resaltar que estos dos tiempos son normalmente los valores promedios calculados a través de un número de aparatos idénticos y, por lo tanto, los valores de cualquier aparato en particular pueden ser diferentes de la media.
El MTBF es un parámetro que exprime el promedio de tiempo entre fallas que ocurren en un instrumento, calculado en un determinado periodo de tiempo. En casos de instrumentos de alta fiabilidad, será difícil contar las ocurrencias de fallas y podrán producirse números imprecisos al MTBF y se recomienda usar el valor del fabricante.
El MTTF es un modo alternativo de cuantificar la fiabilidad y es en general usado en termopares, pues son descartados cuando fallan. El MTTF exprime el promedio de tiempo antes de ocurrir una falla y se calcula en un número igual de dispositivos.
La fiabilidad final asociada en términos de importancia al sistema de medición se exprime por el promedio de tiempo de reparo (MTTR), o sea, el tiempo necesario para reparar un dispositivo, o aun el promedio de tiempo necesario para reparar el equipo.
La combinación del MTTR y del MTBF muestra la disponibilidad:
Disponibilidad = MTBF/(MTBF+MTTR).
La Disponibilidad mide la proporción de tiempo de uso del dispositivo sin fallas.
El objetivo de la medición de sistemas es maximizar el MTBF y minimizar el MTTR y, consecuentemente, maximizar la Disponibilidad.
Modelos de Fallas
El modelo de una falla en un dispositivo puede cambiar durante su ciclo de vida, o permanecer inalterado, disminuir o, aun, aumentar.
En componentes electrónicos es común verse el comportamiento de la figura 1, también conocido como “curva de bañera”
Tasa de Falla
Ciclo de vida
Figura 1 – Curva típica de variación de fiabilidad de un componente electrónico.
Los fabricantes, por lo general, realizan ensayos de burn-in para eliminar la fase hasta T1, antes de lanzar los productos en el mercado.
Por otro lado, los componentes mecánicos presentarán una tasa de falla más grande en el final de su ciclo de vida, de acuerdo con la figura 2.
Figura 2 – Curva típica de variación de confiabilidad de un componente mecánico.
En la práctica, cuando los sistemas son composiciones electrónicas y mecánicas los modelos de fallas suelen ser complejos. Cuanto mas componentes, mas grande la incidencia y probabilidad de fallas.
Leyes de la fiabilidad
En la práctica, generalmente hay varios componentes y el sistema de medición es complejo. Existen componentes en serie y en paralelo.
La fiabilidad de componentes en serie debe prever la probabilidad de fallas individuales en un determinado tiempo. Para un sistema de medición con n componentes en serie, la fiabilidad Rs es el producto de las fiabilidades individuales:Rs = R1xR2...Rn.
Supongamos un sistema de medición formado por un sensor, un elemento de conversión y un circuito de procesamiento de señales, donde las fiabilidades son: 0.9, 0.95 y 0.099. En este caso, la fiabilidad del sistema será 0.9x0.95x0.009 = 0.85.
La fiabilidad podrá aumentar con los componentes en paralelo, o sea, el sistema irá fallar si todos los componentes fallaren. En este caso, la fiabilidad se exprime por:
Rs = 1 – Fs, donde Fs es la falta de fiabilidad del sistema. La falta de fiabilidad es Fs = F1xF2...F3.
Por ejemplo, en un sistema de medición seguro existen tres dispositivos idénticos en paralelo. La fiabilidad de cada uno es 0.95 y la del sistema se da por:
Rs = 1 –[ (1-0.95)x(1-0.95)x(1-0.95)] = 0.999875
Como mejorar la fiabilidad de un sistema de medición
Sistemas de Seguridad y Fiabilidad
Se usan los Sistemas de Seguridad para monitorear el status de los valores y parámetros de una fábrica dentro de los límites operativos, y, bajo condiciones de riesgo, ellos producen alarmes y ponen la fábrica en estado seguro o mismo en la condición de apagado.
Fíjese que las condiciones seguras deben seguirse y adoptarse por las fábricas cuyas prácticas operativas y de instalación son de responsabilidad tanto de empleadores como de empleados. Vale sembrar que el primer concepto relacionado con la reglamentación es garantizar que todos los sistemas cumplan con las normas de seguridad, y, el segundo, que los dispositivos y alarmes involucrados con seguridad funcionen con fiabilidad y eficiencia.
Los sistemas Instrumentados de Seguridad (SIS) son responsables por la seguridad operativa y que garantizan la interrupción de emergencia dentro de los límites considerados seguros, siempre que la operación ultrapase esos límites. El objetivo principal es evitar accidentes dentro o fuera de las fábricas, tales como incendios, explosiones, daños a los equipos, protección a la producción y a la propiedad y, mas aun, evitar riesgos de vida o daños a la salud personal e impactos catastróficos para la comunidad.
Durante mucho tiempo los sistemas de seguridad se proyectaron de acuerdo con los estándares alemanes V VDE 0801 y DIN V 19250. Ellos fueron bien aceptados por la comunidad de seguridad mundial y culminaron con los esfuerzos para un estándar mundial, la actual norma IEC 61508, que es actualmente el modelo oficial de seguridad operativa para sistemas eléctricos y electrónicos y también para dispositivos programables para cualquier actividad industrial. Este estándar abarca todos los sistemas de seguridad electromecánicos.
Los productos certificados según el IEC 61508 deben tratar básicamente de 3 tipos de fallas:
El IEC 61508 se divide en 7 partes, cuyas 4 primeras son obligatorias y las 3 restantes son ilustrativas:
Este estándar trata de manera sistemática a todas las actividades del ciclo de vida de un SIS, y se enfoca en el desempeño exigido del sistema, o sea, cuando se atinge el nivel deseado de SIL (nivel de integridad de seguridad), el nivel de redundancia y el intervalo de prueba se harán a criterio del responsable por la especificación del sistema.
En la práctica, el análisis y la determinación de los riesgos y nivel de SIS deben hacerse según los estándares y criterios rigurosos de los lazos de control y seguridad, y también por profesionales especializados, principalmente en el proceso y sus aplicaciones. Lo qué es “tolerable” depende de las consecuencias de las fallas. Lo qué es aceptable según los estándares está definido de acuerdo con el nivel de integridad de seguridad, el SIL (Vea Tabla 1).
El estándar IEC 61508 busca potenciar las mejorías de los PES (Seguridad Electrónica Programable) que abarcan PLCs, sistemas microprocesados, sistemas de control distribuido, sensores y actuadores inteligentes, etc. de manera a uniformar los conceptos envueltos.
Recién se elaboraron varias normas sobre el desarrollo, proyecto y mantenimiento de SIS, destacándose el IEC 61508 (para industrias en general) valiendo citar también el IEC 61508, dirigida a las industrias de procesamiento continuado, de líquido y de gases
Se han visto en la práctica muchas aplicaciones y especificaciones de equipos con certificación SIL para sistemas de control, sin función de seguridad. También se cree que haya desinformación en el mercado, lo que lleva a la compra de equipos más caros desarrollados para funciones de seguridad, pero que se aplicarán en funciones de control de proceso cuya certificación SIL no alcanza los resultados esperados. Al contrario, dificulta la utilización y el manejo de los equipos.
Además, la desinformación crea en los usuarios la falsa impresión de que tienen un sistema certificado de control seguro, pero, realmente, tienen únicamente un controlador con funciones de seguridad certificado.
En este artículo se examinarán las diferencias básicas que ayudarán a identificar y comprender mejor las especificaciones.
Sistema Instrumentado de Control
Un Sistema Instrumentado de Control es un sistema eléctrico, electrónico o programable para ejecutar algunas o la totalidad de las siguientes funciones:
Estas funciones normalmente se ejecutan por alarmes, protectores (trip, interlocks, cierre de emergencia) y sistemas de control de procesos. Pueden ser separadas o interconectadas, compartir interfaces hombre-máquina (indicadores, paneles de visualización, terminales gráficos, alarmes sonoros y otros), interfaces de fábrica (sensores y actuadores), lógicas (relés, controladores, supervisores), utilidades (fuente de energía, sistema de aire) y sistemas de monitoreo.
Fíjese que el sistema de control ejecuta una función de control y no de seguridad. En estas condiciones, no hay que especificarse los equipos de campo para desempeñar una tarea de seguridad, o sea, no es necesario pagar más caro por algo que no se va a utilizar. Por ejemplo, por qué comprar un transmisor de presión con certificación SIL 2, si será utilizado en control de proceso y no de seguridad? Una función de seguridad es muy sencilla, o sea, es mucho más simple que una función de control. Por lo tanto, si la temperatura de un proceso esté muy alta, se abre la válvula de drenaje, al contrario de una función de control, en la que, si la temperatura alcanzar 20ºC y 25ºC, debe abrirse 35% del curso de la válvula. Y, que hacer si ocurre una falla en la función de control? Es algo difícil de decir. Por el otro lado, la función de seguridad necesita solo abrir la válvula de drenaje.
Un equipo de seguridad debe ser independiente del sistema de control
Sistema Instrumentado de Seguridad (SIS)
Como hemos visto, los Sistemas Instrumentados de Seguridad (SIS) son responsables por la seguridad operativa y garantizan cierres de emergencia dentro de límites considerados seguros siempre que superen los mismos.
El funcionamiento adecuado de un SIS necesita de condiciones de desempeño y diagnósticos superiores a los sistemas convencionales. La operación segura de un SIS abarca sensores, programadores lógicos, procesadores y elementos finales proyectados para ejecutar la interrupción siempre que se superen los límites seguros (por ejemplo, variables de proceso tales como presión y temperatura por encima de los límites muy altos de alarme) o aun impedir el funcionamiento en condiciones de seguridad desfavorables.
Son ejemplos característicos de sistemas de seguridad:
Sistema de Cierre de Emergencia (ESD)
Sistema de Cierre de Seguridad (SSD)
Sistema de Bloqueo de Seguridad
El Concepto de Riesgo y la determinación y comprobación del nivel de integridad de seguridad (SIL)
Cuanto más riesgo tiene un sistema, más difícil será cumplir con los requisitos de un sistema seguro. Básicamente el riesgo es la suma de la probabilidad de ocurrir algo indeseable en consecuencia de esta ocurrencia.
Figura 3 – Consideraciones sobre riesgo segun el IEC 61508
Riesgo Residual
Riesgo Tolerable
Riesgo del Sistema sin Protección
Riesgo Aumentado
Reducción Necesaria de Riesgo Reducción Alcanzada de Riesgo
Reducción de Riesgo alcanzada con SIS
Deducción de Riesgo alcanzada con otras tecnologías de seguridad
Reducción de Riesgo alcanzada con sistemas externos
Los sistemas de seguridad buscan reducir los riesgos en niveles aceptables; el nivel de SIL para un lazo de control se puede obtener a través del análisis y la identificación de los riesgos del proceso. La verificación del nivel del SIL se puede lograr por la probabilidad de fallas bajo demanda (PFD).
El IEC 61508 define los requisitos de funcionalidad e integridad de un sistema. Los requisitos de funcionalidad se basan en el proceso y los de integridad están vueltos a la fiabilidad, que se define como Nivel de Integridad de Seguridad (SIL). Hay 4 niveles discretos con 3 importantes propiedades:
Tabela 1 – Niveles de SIL
Como interpretar el nivel SIL? Como hemos visto, el nivel SIL es una medida de integridad de un SIS, básicamente interpretada de dos maneras:
1) Teniendo en cuenta la reducción de riesgo y la tabla 1:
2) Interpretando la tabla 2, donde SIL 1 significa que el riesgo de accidente o algo indeseable es pequeño y que un SIS tiene 90% de disponibilidad, o aun, 10% de posibilidad de fallar.
Tabla 2 – Niveles de SIL y SFF según la tolerancia a fallas del hardware
La evaluación de SIL ha crecido en los últimos años, especialmente en aplicaciones químicas y petroquímicas. Hasta se puede exprimir la necesidad de SIL en función del probable impacto sobre la fábrica y la comunidad.
"4" – Impacto catastrófico para la comunidad.
"3" – Protección de los empleados y la comunidad.
"2" – Protección de la producción y la propiedad. Posibles daños a los empleados.
"1" – Impacto pequeño a la propiedad y protección a la producción.
Figura 4 – SIL en función del probable impacto sobre la fábrica y la comunidad.
Este análisis no es completo delante de la dificultad de definir lo que es un impacto pequeño o grande.
Hay varios métodos de identificar riesgos:
En términos de SIL, cuanto más alto el nivel necesario, más grande será el costo, debido a las especificaciones más complejas y severas de hardware y software. Normalmente, el SIL de cada función se asocia à la experiencia de los profesionales, pero se puede elegir el análisis de la matriz de HAZOP o aún el análisis de los Extractos de Protección (LOP – Layers of Protection) que abarca la política, los procedimientos, las estrategias de seguridad y la instrumentación.
En tanto que en la verificación del nivel SIL alcanzado, donde se lo confronta con lo proyectado, destacase el Modelo Harkov entre varios métodos, acrecido de las fallas y los reparos de diferentes elementos del circuito.
Figura 5 – Modelo Markov para un subsistema 1001D non redundante
Fíjese que en la tabla 2 hay el concepto de Probabilidad de Falla Bajo Demanda (PFD), donde el riesgo de ocurrir algo indeseable depende del PFD y da la frecuencia de demanda. Por lo tanto se puede elegir el mejor equipo según el PFD a través de la aplicación cuyos riesgos estén bien definidos.
PFD = 1 – D, donde D es la disponibilidad.
PFD es la probabilidad de una falla ocurrir en un sistema de prevención de fallas. El nivel de SIL está relacionado a esta probabilidad de falla bajo demanda y al factor de reducción de riesgo, o sea, cuanto se necesita proteger para garantizar un riesgo aceptable en caso de ocurrencia de una falla.
El PFD es el indicador de fiabilidad adecuado para sistemas de seguridad.
Si no esté probado, la probabilidad de falla puede alcanzar 1.0 con el tiempo. Pruebas periódicas mantienen la probabilidad de fallas dentro de los límites deseados.
La figura 6 muestra ejemplos comunes de arquitectura de sistemas de seguridad, cuyas técnicas se usan según los sistemas de votación pretendida y el SIL:
Figura 6- Ejemplos característicos de arquitectura de sistemas de seguridad
Figura 7 – Votación, PFD y Arquitectura
Algunos términos y conceptos relativos a sistemas de seguridad
MTBF = MTTR + MTTF
Donde:
Tipos de fallas analizadas en un FMDEA (Failure Modes, Effects and Diagnostic Analysis):
LD400-HART-SIS – Transmisor de Presión para aplicaciones de SIL
El LD400 HART – SIS es un Transmisor Inteligente de Presión usado para medir presiones diferencial, absoluta, manométrica y aplicaciones de nivel y flujo. La señal de salida de 4 a 20 mA del LD400 – SIS corresponde a la presión aplicada. Estas informaciones son transmitidas a un PLC y exibidas en un display o monitoreada remotamente vía comunicación HART. El LD400-SIS tiene certificación TÜV para aplicaciones de seguridad.
Figura 8 – LD400-SIS – Transmisor de Presión para aplicaciones de seguridad
El LD400-SIS provee diagnóstico en diversos niveles permitiendo mantenimiento rápido y seguro:
El LD400 realiza el diagnóstico avanzado desde cuando el transmisor es prendido. A fin de que el dispositivo funcione de manera adecuada, verificase la integridad de muchos datos importantes, tales como datos de caracterización, dados inseridos por el cliente, datos de calibración y memoria RAM.
Figura 9 – LD400-SIS – Lectura Totalmente Digital, Diagnóstico Avanzado y Certificado por TÜV
Durante la operación, la validación de la presión medida se verifica continuadamente. Usando algoritmos avanzados, el transmisor identifica cuando ocurre una falla y si esta se debe a un defecto de hardware o a una sobrecarga del proceso. El usuario puede configurar la condición de falla según las especificaciones de NAMUR NE43. Cuando el resultado de la falla puede causar una salida incorrecta, el transmisor muda inmediatamente la corriente de salida, posibilitando al usuario identificar y corregir el problema.
Además de todos los diagnósticos mencionados antes, hay algunos extras para alcanzarse el nivel deseado de seguridad. Son ellos:
Función de Seguridad
El transmisor LD400-SIS mide la presión dentro de una precisión segura y convierte la salida analógica 4 -20 mA seleccionando una de las funciones de transferencia disponibles, y trata la corriente de salida de acuerdo con las especificaciones de NAMUR NE-43. En caso de falla del sensor o circuito, ejecutase un diagnóstico automático del software y del hardware y la corriente se mueve hasta un valor más bajo que 3.6 o más alto que 21 mA, los cuales son los estados de seguridad definidos para cada equipo.
A fin de evaluar la gravedad de la falla del LD400-SIS, se llevaron en cuenta las siguientes definiciones en la Tabla 3.
Tabla 3 – Modos de Fallas
Falla
Estado de Falla
Estado Seguro
Falla Peligrosa
Falla No Detectada
Falla Detectada
Descripción
Estado en que la corriente de salida cambia a un valor más bajo que 3.8 o más alto que 20,5
Falla que pone el sistema en un valor seguro, sin exigencia del proceso
Falla que pone el sistema en condición de riesgo, cuando el transmisor presenta una corriente con valor fuera de límites seguros
Falla no detectada por diagnóstico en línea
Falla detectada por diagnóstico en línea
Nivel de Alarme NAMUR Operación Normal Baja Saturación Alta Saturación
Figura 10 – Nivel de Alarme
Propiedades de Seguridad Funcional
La Tabla 4 muestra los valores de seguridad funcional obtenidos para el LD400-SIS.
MODO DE OPERACIÓN BAJA DEMANDA
TIPO
SFF
PFD AVG PARA 1 AÑO
PFS AVG PARA 1 AÑO
LISTO PARA USO EN SIL
LISTO PARA USO EN STL
El LD400-SIS proporciona informaciones de diagnóstico a través del HART, posibilitando valores de PDF bajo y de SFF alto.
Suponga que el LD400-SIS tenga una falla y no logra medir la presión especificada, lo que podrá danificar el lazo de corriente. El LD400-SIS tiene diagnósticos avanzados e informará vía HART lo ocurrido, poniendo el proceso en estado seguro. La falla se vuelve segura, caracterizando el valor alto de SFF (Fracción de Falla Segura), y el uso del HART mejora el SFF en mediciones de seguridad y protección.
Para más detalles sobre el LD400-SIS, consulte: https://www.smar.com.br/es/producto/ld400-transmisores-de-presion-nivel-y-flujo-4-a-20-ma-hart-
Conclusión
En la práctica lo que se busca es reducir fallas y los consecuentes riesgos operativos y cortes del proceso. Buscase el aumento de disponibilidad operativa y también la reducción de la variabilidad del proceso, con influencia directa en el aumento de rentabilidad. Aparatos de software potentes para Mantenimiento y Supervisión de Activos maximizan la fiabilidad y disponibilidad. Un ejemplo es el AssetView de Smar, una potente herramienta que posibilita obtener vía RED datos operativos y de los dispositivos, lo que facilita los mantenimientos preventivo y proactivo.
Para más detalles sobre supervisión de activos, acceda a:
https://www.smar.com.br/es/producto/assetview-herramienta-de-administracion-de-equipos-de-campo.
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